论提高发电机转速以增加发电量之法

                          论提高发电机转速以增加发电量之法

                                                                                                                        李万鸿2020-8-22

 

摘要：本文在分析国内外现有发电情况的基础上，创造性地提出一种提高发动机转速以增加发电量的方法，并给出随之而来的频率增加问题，新颖独特，科学合理，极具实用价值，可以为当前的发电设施提升一倍以上的发电量。

关键词： 发电机 汽轮机 定子  转速 频率 变频 发电量

 

 

孙子兵法云：常见则不疑，备周则意怠。中国目前发电总装机世界第一，但电量还是不够用，有的地方还时常停电。有什么办法可以快速解决呢？通过对火电、水电、核电等发电过程的深入分析，发现完全可以较大幅度提升发电量，方法简单可行，下面详细论述。

• 发电原理
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蒸汽轮机或水轮机带动发电机转子旋转，在定子中产生感应电动势发电。

（1）转子线圈必须通电产生磁场：通过F和E接柱为转子线圈供电，转子线圈通电产生磁场。

　　（2）发动机工作驱动转子旋转：即是磁场旋转，定子线圈切割磁力线，在定子线圈中产生交流电。因三个定子线圈的布置决定了三个线圈产生的交流电相位互错120度，的以称为三相交流电。

（3）定子线圈输出的交流电压的的幅值与发电机转速成比例增大。调节器调控转子线圈的通电电流的大小从而控制发电机的输出电压。

（4）最大感应电动势Em=nBSω，E=Em/√2 是有效值，n为感应线圈匝数、B为磁场强度、S为线圈面积、ω为转速。

 

• 现有发电问题

    目前中国发电的频率为50Hz，美国为60Hz，一般火电、水电转速为3000转/分，核电为1500转/分(4级发电），就是要保证按照这个频率来发电，由于转速低，导致发电量低，没有充分利用到燃烧、水力、核能、风能的能量，汽轮机或水轮机旋转很慢，发电机没有满负荷工作，发电效率很低，火电才34%，水电75%，核电36%，显然有很大的优化提升空间，达到83%以上的效率才算理想。

• 优化办法

根据最大感应电动势Em=nBSω的物理公式，要提高发电功率，需要提高转速ω、增强感应磁场B、增加线圈匝数n、加大线圈面积S。根据转速公式n=60f/p，要增加汽轮机或水轮机的旋转速度，达到6000或8000转/分，这样发电机的转速从3000提升了一倍多，发电量也随之提升一倍多，但频率也会增加一倍多。这就需要对发电机输出的交流电做个变频处理，把频率变为50Hz工业标准。

1. 提高转速

转速越高发电量越多，目前锅炉、水库、核能、风能等能量没有得到充分运用，汽轮机、水轮机没有开足马力转，导致发电量和效率低，关键是卡在50Hz的频率上，而这个问题解决并不难，只要最后做个变频处理即可解决。

因此，电站的汽轮机、水轮机需要满负荷旋转，达到接近峰值的速度，一般可达r=6000转/分以上，ω＝(2π×r/min)/60，ω随转速线性倍增，这样不用做复杂改造，根据Em=nBSω公式，转速提升一倍，ω提升一倍，发电即可提升一倍。

1. 增加励磁电流

目前交流发电机利用电磁感应原理发电，给转子提供励磁电流产生磁场，在定子中高速旋转，改变磁通量，从而在定子产生感应电流发电。根据Em=nBSω公式，增加磁场B，可以线性提升发电电压。

为此需要增加励磁电流，有2个途径，一是增加一台同轴永磁发电机，同步旋转发电，电流引入定子；二是正反馈取电，从定子发出的电流取部分到定子，增加定子磁场B，增加的电量=n△BSω，ω=2π*6000/60，假定nS不变，增加的磁场可以线性放大628ns倍，这个效果是相当不错的。

 

    

1. 增加定子线圈

定子获得励磁电流产生磁场旋转后发电，根据公式增加的电量=n△BSω，需要增加磁场B，当励磁电流一定时，根据公式B=NI/L增加定子线圈匝数N可以增加磁场B，从而增加发电量。还可以加大定子线圈面积S，增加线圈级数，采用4级、6级电机发电，提升发电量。增加线圈可以提升定子的重量，从而提升转速的临界峰值，支持转得更快，定子的感应电压电流更高，发电更多。

1. 增加发电机组

   当转速提升，充分利用起机械能时，单台发电机的功率已达不到机械能的功率，为充分利用机械能，需要增加发电机，串联一台或多台发电机，所有发电机的输出交流电合并后增加发电量。  

1. 变频变压

由于提高了转速，发出的交流电的频率会提高达到100Hz以上，这个可以通过逆变器变频解决，发电机只管高速旋转发电，转速达到接近临界峰值满负荷发电。逆变器把发出的高压高频交流电变为直流再变频变为50Hz交流，然后通过变压器变压，通过断路器送电。如果是220KV或500KV等高压送电，则变频后直接进高压变压器变压到220KV或500KV送电。目前逆变器的效率可达98%，这个过程能量损失仅2%，有效地输出50Hz工业标准交流电。

1. AI优化控制

    整个发电过程采用大数据、5G、人工智能AI优化控制，采用AIOT智能物联网技术，通过智能控制调节传感器等设施，对锅炉、汽轮机或水轮机、励磁发电机、发电机、逆变器等全流程优化控制，实现多过程多目标多参数多变量智能控制，达到最佳发电效果。

  

• 优化效果

根据发电的物理原理，对发电过程进行如上改进，解决了发电机转速低发电量低的老大难问题，可以充分利用热能、水能、核能、风能等能源，显著提升发电量和发电效率，可以达到83%以上，对超临界和超超临界发电和核电尤其具有意义，可以大幅度提升发电量。改进办法简单易行成本低，现有的发电设施都可以成倍增加发电量。这是一个伟大的超越，一个革命性突破，对保证用电和降低用电成本有重大的经济价值和非凡的意义。

 

目前全世界发电的效率都偏低，原因在于50Hz（中国、欧洲）或60Hz（美国）的频率标准，没有人想到频率太低，而这是可以解决的。这个频率是100多年前制定的，显然太低，工业和生活用电都需要做变频处理，导致巨大的成本开销。如果把频率定为130Hz或200Hz，发电机可以高速旋转发更多的电，用电器如空调、冰箱等也不用变频，显然更合理。

 

 总之，打破常规，勇于创新，敢想敢干，针对现在国内外发电的低效问题进行革命性突破解决，这是一个行之有效的好办法，完全可以落地，成本低，改造方便，成倍增加发电量，提升效率，造福国家人民。

• 参考文献

1.陈铁华 水轮发电机原理及运行（第2版）[M] 北京：中国水利水电出版社，2018：112。

2.潘卫国 著；尹华强、江得厚、陶邦彦、翁史烈  绿色火电技术[M] 上海：上海交通大学出版社 2019：200.

 

3.姚兴佳、宋俊 风力发电机组原理与应用 第3版[M] 机械工业出版社 ，2016：233。

4.华电电力科学研究院、黄道火 发电机组一次调频原理及试验[M] 北京： 中国电力出版社  2018：287。

5.中国科协学会服务中心 走近核电[M] 北京：中国科学技术出版社 2018：193。

 

 

 

 

六、作者

作者：李万鸿，男，汉，1971年5月生，湖北省鹤峰人，武汉水利电力大学硕士，华为专家，研究方向：大数据及设备优化。